变形监测方法研究

摘要：变形是自然界普遍存在的现象，人类社会进步和国民经济的发展给现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求，变形监测工作变得尤为重要，变形监测工作的首要目的是掌握变形体的实际性状，为判断其安全可靠提供必要的信息，从而避免某些不利的变化因素给安全带来事故，此时，制定可行的方案，掌握可靠的变形监测技术，并进行有效的数据处理尤为重要，变形监测技术不断研究发展。

关键词：变形监测 监测技术 方案 资料处理

一，变形监测概述。

变形监测就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是确定在各种载荷和外力作用下，变形体的形状、大小及相对位置变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。 二，变形监测目的及意义。

在现代化工程建筑物的更高要求前，变形监测技术显得尤为重要。在建筑物施工和运营期间，由于受多种主观和客观因素的影响，会产生变形，一旦超出限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给社会和人民带来巨大的损失。以大坝为例，意大利262m高的瓦伊昂拱坝1963年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；在桥梁方面，2007年6月15日广东九江大桥的船撞桥事故，造成200m桥面被撞垮塌。可见，保证工程建筑物安全是一个很重要而且很现实的问题。 三，变形监测的内容。

变形监测首要目的是要掌握变形体的实际性状，为判断其安全提供必要的信息。而变形监测的内容，应依据变形体的性质和地基情况来定。主要有： （1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉降与不均匀沉陷。对于建筑物本身而言，就是观测倾斜于裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形，主要有振动的幅值、频率、扭转进行观测。对于工业企业，科学实验设施与军事设施和军事设施中的各种工艺设备，主要观测其水平位移和垂直位移。

（2）水工建筑物：对于土坝等坝体建筑物，主要观测项目是水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测；对于混凝土坝，主要观测项目为垂直位移（求得基础和坝体的转动）、水平位移（求得坝体的扭曲）以及伸缩缝的观测。在了解内部情况时，还应对混凝土的应力、钢筋应力、温度等进行观测。在进行变形监测数据处理时，还必须将内外部资料结合起来进行分析。

（3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量的开采地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。在沉降严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用和居民的生活。有时还会造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，定期进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。 四，变形监测技术概况。

变形监测所研究的理论和方法主要涉及3个方面：变形信息的获取、变形信息的分析与解释以及变形预报。但首先，是变形技术发展与运用。

在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本且最适用的技术，主要包括全球定位系统（GPS），卫星激光测距（SLE），激光测月技术（LLR），卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段。

在区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。

在工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。地面三维激光扫描技术和地面微波干涉测量技术的实验应用也广泛应用。

合理设计变形监测方案是变形监测的首要工作。对于周期性变形监测网设计而言，主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。现在在变形监测方案与监测系统设计方面，主要是监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理。

下面介绍主要的变形监测方法

（1）全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪，也称测量机器人，为局部工程变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可以进行定范围内的无人值守、全天候、全方位的自动监测。 （2）地面摄影测量技术在变形监测中的应用虽然起步较早，但是由于摄影距离不能过远，加上绝对精度较低，使得其应用受到局限，过去仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸等变形监测。而发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为地面测量技术在变形监测深入应用开拓了非常广泛前景。

（3）光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达0.01m；采用光纤传感器测量系统将信号测量与信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。

（4）GPS为代表的现代空间定位技术。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分。数据通信技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得GPS发由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动检测。在周期性监测方面，利用GPS技术也是一大热点。在连续性变形监测方面，根据变形体的不同特征，GPS连续性监测科采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性，它为数据解算和分析提出更高的要求。在动态监测方面，在高采样率GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出气独特的优越性。 五，变形监测技术的发展。

变形监测技术日益发展，在未来的方向有以下几种：

1，多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪、地面三维激光扫描系统和GPS的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展。

2，变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息。

3，高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；

4，实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、地铁、边坡体的工程中将发挥巨大作用。

在变形监测之后，我们也需要掌握变形分析的相关方法，变形分析主要包括

参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等内容。在新形势下，变形分析也有一定的发展方向。

1，数据处理与分析向自动化，智能化、系统化、网络化方向发展，注重时空模型和时频分析的研究。

2，方法与模型的实用性的研究，不局限于某一固定模式，随着变形监测技术的发展，研究新的变形监测方法。

3，系统论、控制论、信息论、耗散结构论、突变论、混沌动力学的系统学科和非线性科学在变形分析中会得到加强。

4，几何变形分析和物理解释研究将深入发展，变形的非线性系统问题将是一个长期研究的课题。

下面介绍变形测量方面一项技术性的变革：GPS应用。它拥有精度高、速度快、操作简便等优点，利用GPS和计算机技术、数据通信技术和数据处理与分析技术进行集成，实现数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在无线网络实时监控的目的。

（1）GPS变形监测的特点：

1，测站间无需通视。只需测站上空开阔即可，从而可使变形监测点位的布设方便灵活，课省去不必要的中间传递过渡点，节省许多费用。

2，可同时提供监测点的三维位移信息。采用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移式采用不同方法分别进行监测的，这样，不仅监测周期长、工作量大，而且监测的时间和点位很难保持一致，为变形分析增加了难度。而采用GPS可同时精确测定监测点的三维位移信息。

3，全天候监测。GPS测量不受气候条件的。配备防雷电设施后，GPS变形监测系统便可以实现长期的全天候观测，对防汛抗洪、滑坡泥石流等地质灾害监测等应用领域极为重要。

4，监测精度高。在变形监测中，如果GPS接收机天线保持固定不动，则天线的对中误差、整平误差、定向误差、天线高测误差等并不会影响变形监测的结果。GPS数据处理时起始坐标的误差，解算软件本身并不完善以及卫星信号的传播误差中公共部分的影响也可以得到消除和削弱。

5，操作简便，易于实现监控自动化。GPS接收机自动化越来越高，体积越来越小，重量越来越轻，便于安置和操作。同时，GPS接收机为用户预留有必要的接口，用户可以较为方便的利用各监测点建成无人值守的自动监测装置，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。

6， GPS大地高用于垂直位移测量。 （2）GPS变形监测自动化系统。

1，数据采集。 GPS数据采集分为基准点和监测点两部分，由七台Ashtech Z-12GPS接收机组成。为提高大坝监测的精度和可靠性，选两个大坝监测基准点，并分别位于大坝两岸。点位地质条件要好，点位要稳定且满足GPS观测条件。

2，数据传输。

根据现场条件，GPS数据传输采用有线（坝面监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合的方法。

3,GPS数据处理、分析和管理。

整个系统有7台GPS接收机，在365天内连续观测，并实现将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、储存。系统反应时间小于10分钟，为此，必

须建立一个局域网，有一个完善的软件管理、监控系统。整个系统全自动，应用广播星历1-2小时GPS观测资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm。 六，变形监测方法选择注意问题。

首先是变形精度的测定和选择，应采用所能获得的最好的测量仪器和技术，达到其最高精度，变形测量的精度越高越好。

其次是观测周期数和一周内观测时间的确定。观测周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的，且与工程和规模、监测点的数量、位置以及观测一次所需时间的长短有关。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可以减少观测次数，但仍应坚持长期观测，以便能发现异常变化。及时进行第一周期的观测有重要意义。因为延误初始测量就可能失去已经发生的变形，以后各周期的测量成果是与第一期相比较的，应特别重视第一次观测的质量。

一周期所有的测量工作需在所允许的时间间隔8t内完成，否则观测周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。对于长周期变形。8t可达几天甚至数周，故可选用各种大地测量仪器和技术。对于短周期变形，8t仅为数分甚至数秒，对于日周期，8t为10多分种。这时大地测量仪器和方法将为力，需要考虑采用摄影测量方法或自动化测量方法。

在进行荷载作用变形试验时，荷载与变形的关系以及临界值的确定都需要快速地实时数据处理，具备全自动化或半自动化数据采集与处理功能的监测系统则比较合适。

有的变形监测实施有极高的技术要求，可能造成其他工作的停顿。停产将造成经济损失，在选择测量方法时这一点可能起决定性的作用。

只有在一定的时候才能到达变形体，而在大多数时间在变形体上工作都有特别的危险性，这时，许多测量方法也不能采用。

当变形量达到一定的值时，对变形体本身或环境将造成巨大危害，但这种危害可通过事先报警而避免或减小时，宜采用自动化的持续监测系统，用计算机进行实时监控检核，需要时报警。 七，变形监测资料的处理。

（1） 监测资料检核的意义与方法。 在变形监测中，观测中的误差是不允许测，系统误差可以通过一定的观测程序得到消除或减弱。观测值得误差分为3类：1，粗差。它是由于观测中的错误所引起的。2，系统误差。它是在相同的观测条件下作一系列的观测，而观测误差在大小、符号上表现出系统性。3，它是在相同的观测条件下作一系列的观测，而观测误差在大小、符号上表现出偶然性，仪器测角时的照常误差，测量读数是的估读误差。

监测资料检核的方法很多，依据实际情况而定。一般来说，任一观测元素（如高差、方向值、偏离值、倾斜值等）在野外观测中均具有本身的观测检核方法，如限差所规定的水准测量线路的闭合差、两次读数之差等。进一步检核是在室内所进行的工作，具体有：校核各项原始记录，检查各次变形值得计算是否有误；原始资料的统计分析；原始实测值的逻辑分析，根据检测点的内在物理意义来分析原始测量实测值的可靠性，一般要进行一致性分析，相关性分析。 （2）变形监测数据处理与分析。

资料分析的常用方法为： ①作图分析：将观测资料按时间顺序绘制成过程线，或其它曲线，便于分析。

②统计分析：用数理统计分析方法分析观测值变化规律找到其周期、相关性、发展趋势等。

③对比分析：将实测值与设计值比较找出差值及其原因。 ④建摸分析：建立数学模型加以分析。（统计模型；确定性模型；混合模型） 变形数据的处理和分析是变形监测体系的重要组成部分。外业变形观测数据通常会受到测茸过程、测量条件及测量仪器等客观因素的影响，因此很难辨别哪膨变形量是由观测条件造成的，哪些是由施。l：设计或自然因素造成的。目前，研究变形分析的经典方法是数理统计，回归分析是其中最主要的分析方法之一。研究表明，回归分析方法可以达到较好的效果，但它需要有2个重要前提条件的保证：一是要有大样本，因为数据量小会导致分析结果不准确甚至让分析无 法进行；二是需要有特征分布。这些条件在变形分析中往往难以具备。基于以上凶素，我们需要寻找新的、更方便的方法来进行变形分析，小波变换和灰色系统预测理论正是在这样的背景下产生的。

利用小波变换对外业变形数据进行分析，就是利用小波变换去除原始序列的噪音。即由观测条件等客观凶素所造成的变形，从而获得变形体的真实变形数据，为研究变形体的空间状态与时间特性，并对建筑物的变形原因作出科学解释提供了理论基础。

通过变形监测数据的处理，不仅要获得大坝实时的水平位移和竖向位移量，还要对大坝未来的变形趋势进行预测。灰色预测法是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法，它采用灰色模型(Grey Model，GM)对系统行为特征值的发展变化进行预测，对行为特征值中的异常值发生的时刻进行估计，对在特定时区发牛的事件作出未来时间分布的计算以及对杂乱波形的未来态势与波形作整体研究等。灰色预测法只需要4个数据就可以计算，所以它在某些方面尤其是在较少数据预测中比传统的预测方法更具优越性。

（3）回归分析。

将变形体当作一个系统，将目标点上变形看作因变量，将变形因子看作自变量，对其进行长期观测，找出其函数关系。 逐步回归算法步骤：

①初选变形影响因子。

②确定首选的一元线性回归方程。 ③确定最佳二元线性回归方程。 ④确定最佳三元线性回归方程。

⑤若三个变形影响因子都是显著回归因子，则继续添加因子，直到最后得到最佳回归方程。

（4）小波分析。

小波分析集中体现了数学理论的完美性与数学应用的广泛性。 变形体的变形可描述为随时间或空间变化的信号，变形监测所获取的变形信号包含了有用信号和噪声两部分，如何有效的消除误差并提取变形特征是变形分析研究的重要内容。比如，对于大坝GPS监测系统的序列观测数据，监测点的短时间变形时微小的，表现为一种弱信号，而误差而表现为强噪声，如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息，提高变形监测的精度是GPS监测系统所涉及的关键技术问题之一。

小波就是小的波形，所谓“小”是指它具有衰减性，比如是局部非零的；所谓“波”是指局部波动性，即其振幅呈现正负相间的震荡形式。

（5）频谱分析。

频谱分析是动态观测时间序列研究的一个途径。该方法是将时域内的观测数据序列通过傅里叶技术转换到频域内进行分析，它有助于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。图像可以表示频率和振幅的关系，峰值大意味着相应的频率在在时序中占主导地位。也可是一个离散时间序列的频谱图，从图上也可找出所含的主频率，振幅数值大所对应的频率变为主频率。

（6）人工神经网络模型。

人工神经网络采用物理可实现的系统的系统来模仿人脑神经细胞的结构和功能。从人脑的结构来看，它由大量的神经细胞组合而成。这些细胞相互连结，每个细胞完成某种基本功能。人工神经网络的处理单元就是人工神经元，也称节点。它模拟了其中三个功能：对每个输入信号进行处理，以确定其强度；确定所有输入信号组合的效果；确定其输出。 八，小结。

变形监测是对监视对象或物体进行测量以确定其空间位置随时问的变化特征。变形监测的本质是用测量技术获取变形体的变形及其时间变化特征，为变形分析研究和预报提供基础数据。它也是现代工程一项重要技术，掌握可靠有效的变形监测技术，及时得出变形监测数据资料，并进行有效处理显然很重要。相信，随着现代科学的发展和数学系统学等重要学科的交叉前进，变形监测技术将愈加成熟。

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